LiCo1-xFexPO4正极材料合成及充放电性能研究(3)
1.1.2 锂离子电池的用途及原理
锂离子电池因具有比能量高、体积小、循环性能好、无文护、自放电小、环境友好、无记忆效应等优点受到了各行业的青睐，正逐步从手机、数码相机、笔记本电脑的应用走向电动车及军用通信等领域。锂离子电池已经成为我们生活中不可缺少的必需品，随着技术进步和新能源产业的发展，大容量锂离子电池技术和产业发展非常迅猛已经成为国际上大容量电池的主流。所以开发研制出高性能、低成本的锂离子电池具有广阔的市场前景。目前，我国不仅是锂离子电池生产、需求大国，北大先行科技产业采用磷酸铁锂正极材料的动力电池首次应用于奥运大巴。此外，随着经济的发展，锂离子电池作为军事装备中的电源广泛得到应用，主要包括动力车启动电池、无线通讯电台电池（过去主要是干电池、可充锌银和Cd-Ni电池）、特种兵使用的电池所谓特种兵电源，如水中兵器电源、微型无人驾驶侦查飞机动力电源、带引信装置的预埋式各种地雷电源等[3]。据中国电池行业深度研究报告的统计，目前仅我国前十大锂电制造商生产的锂离子二次电池就已经超过了10亿国家对于动力锂离子电池关键材料和电池的研发给予大力支持。
锂离子电池主要由正极、负极、隔膜及电解液等组成，其中正极材料提供锂离子，对电池的性能起着至关重要的作用。锂离子电池的工作原理：Li+在两个两极材料之间的往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；而放电时则相反。这样正负极材料在嵌入和脱嵌锂离子时相对于金属锂的电位的电压差，就成为锂离子电池的工作电压。我们将这种靠锂离子在正负极材料之间的转移来完成电池的充放电工作、机理独特的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”[4]。
锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。锂离子电池主要优点是：电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、可快速充放电等；其主要缺点是易老化，产品回收率高，不耐受过充过放等[5]。
1.1.3 锂离子电池组成
锂离子电池主要由正极材料、隔膜、电解液、负极材料等四个部分组成，这些材料分别约占锂离子电池成本的40-46%、10-14%、5-11%和5-15%。
1.1.4 正负极材料
锂离子电池正极材料应具备以下特点：正极材料应具有较高的氧化还原电位，从而保证电池具备有较高的工作电压；正极材料在工作电压范围内应具有较好的化学稳定性，不与电解质发生反应；正极材料在结构上应具有稳定的可逆嵌入/脱嵌锂离子的结构空间，保证材料的可逆循环性和较大的扩散系数；正极材料应具有良好的导电性能，具有较高的电子/离子电导率；正极材料应具有原料来源广、价格便宜、制备工艺简单以及对环境友好等特点[6]。
锂离子电池正极材料大多数是过渡金属氧化物，因为过渡金属一般有多个价态，使其电导率较高，而且较难发生歧化反应。锂离子电池的正极材料一般都具有层状层状或尖晶石结构，但由于其在制备方面较为困难，使得目前常以钴、镍、锰、钒等氧化物作为锂离子电池的正极材料[7]。
电池充电时，锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，然后穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，而后嵌入石墨品格中。与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池正极柱、外电路、负极极柱、负极极耳流向电池负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡[8]。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁。